基于计算流体动力学建筑风荷载研究的现状与展望

基于计算流体动力学建筑风荷载研究的现状与展望

摘要伴随着计算机速度的迅速提高、离散化方法的发展、网格生成技术的提高、力学模型与数学模型的发展，计算流体动力学（CFD Computational Fluid Dynamics）在过去数十年获得了飞速的发展。同时，计算流体动力学在建筑风工程领域也得到了广泛的应用和发展。特别是在高层、超高层或复杂体型的建筑结构设计及建筑风环境舒适度评估中，计算流体动力学更逐渐成为一种不可或缺的有效工具。针对计算流体动力学在高层建筑风荷载研究中的应用，分别就几何模型的建立及网格的划分、边界条件的设定、湍流模型的选择、近壁面的处理等关键环节展开讨论，提出了具有一定实际应用价值的意见和建议。

关键词计算流体动力学；建筑；风荷载

RESEARCH STATE AND PERSPECTIVES OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS APPLICATIONS IN WIND LOAD ON BUILDINGS

Li Wang

（Chongqing Jiaotong University Chongqing 400074）

Abstract Based on the development of Computer hardware，discretization，formation of grid，the mechanics model and mathematic model，CFD （Computational Fluid Dynamics）has developed quickly in the past decades.And at the same time，it has been applied broadly to Computational Wind Engineering.Especially to high buildings，super high—rise buildings，complex body conformation buildings and Pedestrian wind environment，CFD has been an indispensable effective too1. Focused on the application of CFD in wind load on high building，this paper discussed the formation of geometry model and grid，the set up of boundary condition，the choice of turbulence model and the treatment of wall function.And some useful suggestion has been given.

Keywords Computational Fluid dynamics；Buildings；Wind load

1 概述

1926年一次颶风使美国一座10多层钢框架Meyer—Kiser发生塑性变形，随后世界各地涌现大量高层建筑群，作用在建筑群上的风荷载是建筑物的控制荷载，特别地，与单体建筑物周围的风特性不同，多体建筑物间的气流会相互影响，产生异常复杂的空气动力学现象。因此，为建造舒适、安全的建筑，在设计阶段对其风荷载及其周围的风环境的舒适度进行研究是很有必要的。

风洞实验是研究建筑物周围风特性的主要手段之一。1934年，德国的L.Prandtl在哥廷根流体力学研究所（A V A）建造了世界上第一座环境风洞，1965

年，在Davenport负责下，加拿大西安大略大学建成了世界上第一个大气边界层风洞。1970年，伦敦Vauxhall地区的两座高层建筑建造之前，就首次进行了风洞实验来预测建筑物周围的风环境。之后，人们针对一些理想化的模型和实物微缩模型，开展了大量的风洞实验研究。在我国，同济大学、湖南大学、大连理工大学、汕头大学相继建造了中小型边界层风洞，哈尔滨工业大学正在建造带有浪槽系统的单回流闭口式双试验段边界层风洞，经过近30多年的努力，我国结构抗风实验技术和风工程研究水平已进入了与世界同步的轨道。

尽管风洞实验在研究高层建筑物周围风环境问题时是非常有效的研究手段之一，但它具有难度大，时间长，费用高，信息量有限等缺点。随着计算机硬件的不断升级、超级计算机、量子计算机的发展，理论模型的日益进步和计算格式的快速发展，人们开始使用数值方法来对建筑物周围的风环境进行模拟，并通过与风洞实验的对比，不断对数值方法进行修正，使得计算结果基本可以满足工程的需求。尽管目前的CFD数值模拟方法还存在湍流模型和求解效率等方面的问题，但其在结构风工程领域的发展前景是广阔的。

2 几何模型的建立及网格划分

计算域过小必将导致拥塞率的增大，计算结果与真实情况将会出现较大误差。而如果计算域太大，在保持网格尺度不变的情况下，必将导致网格数的增加，计算量增大，计算周期增长。合理的计算域是能够准确反映整个绕流流动情况的最小区域。目前通常使用的计算域选取方法是在高层建筑的长、宽两个方向上选取建筑物截面尺寸的l0—20倍确定计算域，而在高度方向上选取建筑物高度的5倍左右作为计算域的高度。这种选取方法可保证拥塞率在0.3% 以下。同时由于建筑物对迎风面的来流基本无影响，而建筑物所造成的尾流会产生较强的漩涡、回流，因此建筑物在计算域内通常置于计算域的前1/3處。

针对高层建筑风载荷问题所研究的三维空间求解区域，由于正交结构化网格数据结构及离散方式简单、数值误差小等优点，运用于规则外形建筑的风场模拟仍具有较大优势。对于非规则外形的建筑，则可采用拟合逼近法[1，2]。也有部分学者在研究中使用非结构四面体单元和棱柱单元共同组成的混合网格。通常情况下，混合网格的求解性能要优于单纯的结构或非结构网格，但同时也提高了网格的生成难度[3]。一般情况下最终网格数的数量级在左右。3 边界条件的设定

对于入口边界条件，由于气流在来流方向上受到建筑物的影响非常小，因此在来流方向上主要使用的是速度边界条件，目前通用的做法是利用入口边界条件模拟大气边界层风速剖面，其剖面风速符合幂指数分布规律，表达式通常取为，式中、分别为参考高度和参考高度处的风速，z、u 分别为入口边界某高度及其对应的风速；为地面粗糙度，由建筑物处地貌和荷载规范所确定。

更精确的方法是在入口边界条件中加上入口处的湍流度，所加湍流度采用日本荷载规范建议的随高度变化的经验公式：，为梯度风高度，由建筑物处地貌确定，A为常数。